一文读懂:核酸药物“快递小哥”的奋斗史

导读


       前段时间,我们简单介绍了基因治疗领域的“核酸药物”,以及核酸药物细分领域之一的“肿瘤疫苗”。不知道大家是否也和我们一样,知道的越多,不懂的却更多。


       一直以来,核酸药物圈流传着一句话:成也递送,败也递送。究竟核酸药物的递送系统是何方神圣?为啥紧紧扼住了核酸药物“命运的喉咙”呢?本期,我们邀大家一起去看看这位核酸药物“快递小哥”的奋斗史。


       递送系统是什么?


       核酸药界的“快递小哥”


       大家好,我是核酸药物的递送系统,当然你们也可以叫我核酸药物的“快递小哥”。我的工作有两大类,一是药物靶向(Targeting),即是将药物送到准确的“收件地址”(特定的细胞和组织);二是药物控释(Controlled Release),即是将药物在合适的时间空间“送货上门”或者“投递丰巢”。


       可是要做到这两点,不太容易。原因在于,外源的核酸药物想要进入体内发挥作用需要克服多重阻碍:1)不稳定,且易被体内的核酸酶降解;2)核酸分子具有免疫原性,会激活人体免疫系统的反应;3)核酸药物分子结构较大,且带有负电荷,穿透细胞膜的难度较高;4)核酸分子进入细胞后需要从内吞体中逃逸至细胞质中(endosome escape)……所以,核酸药物如果能成药,那么关键在于就在我身上!


       鉴于上述问题而导致的“不可成药”的局限,科学家们在经过了很多年的努力后终于发现了一个有效方法——化学修饰核酸分子。修饰用来改善核酸分子的药代动力学、药效学和生物分布,或者修饰某些治疗方式的功能,以达到让药物更加稳定且能躲避免疫系统的识别。在迄今批准的10种RNAi疗法中,有8种是仅依靠化学修饰来促进其组织递送的,也被业界成为“裸”核酸药物(即缺乏额外的运载工具)。


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       但“裸”核酸药物并非十分稳定,在血液循环中还是容易被迅速降解、不易于在靶组织中积累、且不易有效地穿过靶细胞膜到达位于细胞质中的作用位点。因此,开发安全有效的“运载工具”成为核酸药物往下发展的新任务。


跨界联合


纳米材料成为有效的“运载工具”


       在科学家的努力下,“运载工具”终于被找到了。据了解,目前核酸药物递送载体主要分为病毒类和非病毒类载体。其中,病毒类载体由于能够有效感染宿主细胞,在基因治疗中应用较多。目前,常用的病毒载体包括逆转录病毒(RV)、慢病毒(LV)、腺病毒(Ad)、腺相关病毒(AAV)和单纯疱疹病毒等。但由于其免疫原性、致瘤性和有限的载药量(loading capacity)使得其在核酸药物中应用相对较少。


       为了弥补病毒载体的不足,非病毒递送载体成为新的研究方向。在纳米技术与材料科学的发展下,科学家们新发现了:通过化学键合或物理包埋的方式可以将药物结合到有机纳米颗粒中,能够针对跨越生物屏障和跨膜细胞内递送提供更优解决方案。简单来说,这个“运载工具”像汤圆,核酸药物是芝麻馅,纳米材料则是汤圆皮。随着药物进入人体,各种降解让纳米材料逐渐剥落,核酸内核则能准时足量的到达细胞中。现在最常见的纳米材料有脂质体、纳米乳剂、树枝状聚合物和聚合物纳米颗粒等。


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稳定的核酸脂质颗粒


       2020年8月,牛津大学和麻省理工学院的科学家们在Nature reviews drug discovery上发表了一篇综述,重点介绍了核酸药物递送载体的发展与改进。据内容介绍,目前科学界与产业界最常用的递送手段主要有脂质纳米颗粒(Lipidnanoparticle,LNP),聚合物纳米颗粒(Polymer nanoparticles,PNP)、脂质多聚复合物(lipopolyplex,LPP)、阳离子脂质复合物(lipoplex,LPX)、以及无机纳米粒(INP)。


脂质纳米颗粒(LNP)


       LNP是目前核酸药物中研究应用最多的递送系统之一,原因在于它既能保护包埋的核酸分子免受核酸酶降解和肾清除,又能帮助促进细胞摄取和内涵体逃逸。据了解,BioNTech、Moderna和CureVac三巨头的mRNA新冠疫苗均采用LNP递送技术。早在2018年,美国FDA批准了使用LNP技术递送的RNAi疗法Onpattro(patisiran)上市,用于治疗遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性(hATTR)患者。


       该技术在国内具有代表性的企业便是在新冠疫情中崭露头角的艾博生物。据公司2020年发表在CELL杂志上的一篇研究论文《A Thermostable mRNA Vaccine against COVID-19》中发现,其mRNA新冠疫苗在动物实验中所使用的递送载体便是LNP。同在B村的传信生物也是一家手握LNP技术的生物技术公司。其创始人陈建新博士在核酸药物递送领域拥有丰富的产业化经验,曾主导全球首个siRNA药物Patisiran的关键递送技术MC3的开发,同时也是全球领先的LNP递送技术公司Acuitas Therapeutics的核心创始人之一。


聚合物纳米颗粒(PNP)


       PNP因易于合成和灵活的特性成为了非病毒递送载体的另一个主要类型。聚合物与核酸结合在生理pH下形成多聚复合物,以促进基因递送。通常情况下,PNP具有带正电的单元,可促进与核酸的静电结合。另外,PNP可以将2个siRNA传递至相同组织内的相同细胞,靶向癌细胞内的多种途径来防止它们逃脱治疗压力。


       落户BioBAY的圣诺制药则是这一技术的领跑者。自2008年成立以来,公司在创始人陆阳博士的带领下专注于RNAi疗法的新药创制,并自主开发了多肽纳米颗粒(PNP)平台技术。其核心产品STP705(科特拉尼注射剂)目前正在中美两国开展临床试验研究,用于治疗原发硬化性胆管炎、胆管癌、肝细胞癌、皮肤原位鳞状细胞癌等。


脂质多聚复合物(LPP)


       LPP是一种以聚合物包载mRNA为内核、磷脂包裹为外壳的双层结构。相比传统LNP具有更好的包载和保护mRNA的效果,也能够随聚合物的降解逐步释放mRNA分子。另外,LPP也具有树突状细胞靶向性,可以更好地通过抗原递呈激活T细胞的免疫反应,从而达到理想的免疫治疗效果。


       在国内,斯微生物是为数不多专注于利用LPP纳米递送平台进行创新药物研发的公司。据公司官网介绍,该技术是在引进的美国休斯顿卫理公会医院纳米递送实验室的纳米脂质(LPP)递送系统专利的基础上,通过进一步优化从而实现了工业化级别的放大以及临床应用。今年年初,斯微生物研发的mRNA新型冠状病毒肺炎疫苗获得临床试验批件,正式启动1期临床试验。


阳离子脂质复合物(LPX)


       LPX最大的特点则是将产品递送到树突细胞,能较好保护mRNA并激活免疫系统。目前,BioNTech开发了脂质体运载Lipoplexes(LPX)技术,并且公司已有重要的肿瘤产品利用LPX平台实现递送。另外,落户BioBAY的艾博生物也在LPX的递送系统上获得突破,其2个LPX技术目前已申请发明专利并公开。


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       除了寻找合适的载体外,以Alnylam为代表的创新生物技术企业也一直在潜心探索新技术,在2013年后,缀合物递送技术成为了核酸制药复苏与发展的新动力。


       缀合物递送系统,是通过化学键共价连接将小核酸直接连接在具有靶向功能的递送载体上以实现递送目的。简单来说,这样的递送类型有点像“糖葫芦”:等摩尔量的递送材料+一个化学键+等摩尔量的核酸药物,一起快乐的“手牵手”走向细胞内。


       GalNAc(N-乙酰半乳糖胺)是目前常见的缀合物递送技术。该技术能将多簇GalNAc分子通过连接子(linker)直接连接在siRNA药物上,经皮下注射即可高效安全的将siRNA递送到肝实质细胞。结合增强的化学修饰技术,缀合药物可实现单次皮下给药后药效维持半年甚至一年。这一超长效性、高有效性和高安全性预计将颠覆很多慢性肝源性疾病的管理和治疗模式,有望形成革命性的新疗法。


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GalNAc缀合寡核苷酸药物递送机理示意图


       目前全球已经有3款基于GalNAc技术的核酸药物获批上市,而布局该赛道的制药企业包括Ionis、Arrowhead、Dicerna、Silence以及国内小核酸领军企业瑞博生物。


       当然,除纳米载体、缀合物技术外,外泌体、SNA、DNA 等新型的递送技术均在探索之中。


挑战依旧存在


专利、逃逸、靶向……


       介绍到这里,相信大家大致对核酸药物的递送系统有了一定的了解。虽然,技术的更新与迭代解决了目前核酸药物发展过程中存在的部分痛点,但未来仍要面临一些挑战。


       首先,核酸药物始终不可回避的内吞体逃逸问题。无论搭载哪种递送技术,核酸药物最终都是以内吞体的形式进入细胞内。而大多数药物都是在这一环节中“困”于内吞体内被降解,所以无法顺利释放至细胞质中。(体外试验显示1%左右的核酸药物能够进入细胞质中,体内试验则不足0.1%)


       其次是组织靶向性问题。目前,LNP和GalNAc配体的应用在临床前和临床研究中提供了良好的肝脏递送效果(肝脏是代谢脂质的主要器官),但肝脏以外的系统性递送仍需要进一步的研究、创新和发展。


       最后,专利问题十分关键。就这一问题在2020年竟让mRNA疗法巨头Moderna“栽了大跟头”。据了解,这次专利争议的“主角”是LNP递送系统,Arbutus向法院提起诉讼称Moderna所使用的任何LNP递送系统专利都是侵权的,而Moderna声称自己拥有专利权。最终美国商标专利局裁定Moderna关键专利无效。该消息一出,Moderna股票应声大跌,当日市值蒸发约30亿美元。


       新冠疫情爆发后,中国疾控中心主任高福院士表达了对mRNA技术前景的乐观,但在接受媒体采访时,他也语重心长的说:“mRNA递送系统的关键技术在国内十分缺乏,这些技术大部分专利都掌握在美国和加拿大的少数企业手中。”


结语


来日方长,浪潮已至


       核酸存在所有的生命体中,是生物的最基本组成物质和生物学研究的基础物质。不同于传统小分子化药、抗体药的机理,核酸药物能将药物发现拓展到蛋白质之前的基因层面,通过特异性上调或下调靶基因表达,攻克尚无药物治疗的疾病包括遗传疾病和其他难治疾病。


       目前,核酸药物领域的载体技术是各大药企密切关注的方向,但不可忽视的是提高药物递送效率、提升组织/细胞靶向性,降低免疫原性和毒性是递送技术发展的不变初心。


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